Cómo los ensayos impactan en el diseño de microfluidos: diseño de fluidos

Manipulación y medición de los fluidos en un dispositivo de microfluidos

Todos los dispositivos de microfluidos, excepto los más simples, son parte de un sistema que incluye el dispositivo, una estación base y reactivos. La estación base generalmente incluye algunas sujeciones/alineación, sensores e interfaces fluídicas, ya sea detección, bombeo o actuación, incluida la válvula, que regulan el flujo de muestras y reactivos.

El dispositivo en sí debe satisfacer muchas demandas simultáneamente. Debe ser capaz de aceptar la muestra a analizar y, a veces, el dispositivo debe tomar una alícuota medida con precisión de una muestra no medida. Eliminar la necesidad de medir con precisión la alícuota lejos del usuario y automatizar este paso ayuda a reducir el nivel de experiencia y capacitación que necesita el usuario. Esta simplificación a su vez aumenta la probabilidad de que el sistema califique para una exención de la Ley de Mejora de Laboratorios Clínicos (CLIA) que amplía en gran medida el mercado potencial para el sistema.

Tiene sentido desde el punto de vista económico colocar elementos costosos controlados por computadora en la estación base para que estos costos puedan amortizarse en muchos dispositivos. Esto ayuda a mantener el costo del dispositivo consumible lo más bajo posible. Cuando los volúmenes de reactivos son grandes, los reactivos comunes, como los tampones de ensayo, los tampones de lavado y los diluyentes, se pueden almacenar en la estación base para su uso por el dispositivo. Esto libera espacio en el dispositivo y puede simplificar su diseño.

Mover fluidos en el dispositivo de microfluidos

Un sistema de microfluidos debe tener la capacidad de mover fluidos (incluida la muestra) en el dispositivo. En el sistema más básico, esto se puede hacer con acción capilar y flujo “pasivo”. Sin embargo, la mayoría de los sistemas tienen algún tipo de bomba. Las bombas de aire se han utilizado para empujar fluidos a través de dispositivos, pero una alternativa común es usar una bomba peristáltica a bordo para mover fluidos (como tampones de ensayo). La microfluídica digital utiliza “interruptores” electrónicos para cambiar la tensión superficial o las propiedades magnéticas de una región dentro de una cuadrícula definida; al encender y apagar los interruptores vecinos, los fluidos se pueden mover según sea necesario.

Características de manipulación de los fluidos de dispositivos de microfluidos

Cámaras
Las cámaras son características de cartucho que tienen diseños particulares críticos para el paso específico del proceso de ensayo. Esto podría incluir mezcla, alícuota, extracción/lisis, amplificación, detección, almacenamiento de reactivos secos, etc. Estos diseños dependen de muchos factores, como las propiedades del fluido, los parámetros del proceso y las especificaciones de rendimiento. Como tal, hay muchas maneras de resolver el mismo problema del proceso de ensayo.

Por ejemplo, varias hormonas están estrechamente unidas a sus proteínas transportadoras en suero o plasma, y se necesitan agentes químicos específicos para liberar estos analitos para que puedan medirse. Debido a que los agentes de liberación varían de una hormona a otra, tiene sentido ponerlos en dispositivos individuales. Se crean cámaras en el dispositivo para contener estos reactivos. Algunos están en forma líquida, pero también se puede colocar un pellet liofilizado de reactivo en la cámara para su posterior reconstitución.

Almacenamiento de reactivos líquidos
Los contenedores de almacenamiento de reactivos líquidos tienen sus propios requisitos debido a la posible pérdida de agua. Los reactivos líquidos a menudo se colocan en recipientes (blísteres de aluminio o plástico con tapa) que se sueldan al dispositivo. Los blísteres de aluminio son muy deseables debido a los requisitos de variabilidad de la concentración y la vida útil, y algunos plásticos termoformados tienen excelentes propiedades de barrera contra el vapor de agua.

Canales
Los fluidos generalmente se mueven a través del dispositivo de microfluidos entre cámaras y contenedores de almacenamiento a través de canales. Los tamaños de canal deben diseñarse cuidadosamente para que el dispositivo sea funcional. Los canales que son demasiado pequeños crearán contrapresión que requiere bombas más grandes y costosas. Estas bombas pueden comprometer la integridad de los sellos en el dispositivo. Si los canales son demasiado grandes, se pueden formar vacíos y burbujas que pueden interferir con las reacciones analíticas y las lecturas de la señal.

Un buen punto de partida para determinar el tamaño del canal es el tamaño de muestra necesario para el análisis. Algunos analitos de baja concentración pueden requerir muestras analíticas de 100 ul o más. Agrega los otros reactivos en la reacción, y el resultado es el tamaño de la slug de líquido que se va a manipular. Los volúmenes se pueden convertir en dimensiones de longitud, anchura y altura con geometría simple.

Para que los líquidos fluyan, los canales y cámaras (ver más abajo) deben estar cubiertos. Esto se hace agregando una película de cubierta sobre la parte superior del dispositivo después de que se hayan agregado los reactivos integrados. A veces, la película se sella al dispositivo con un adhesivo, pero la soldadura ultrasónica, la soldadura láser o la unión térmica también se usan comúnmente.

Válvulas
Una de las ventajas reales de los dispositivos de microfluidos es la capacidad de controlar el flujo de líquidos con válvulas. Con las válvulas, las corrientes de reactivos se pueden dirigir donde y cuando se necesitan.

Por ejemplo, considera un dispositivo de microfluidos que utiliza un inmunoensayo para medir la troponina (un marcador de ataque cardíaco) y utiliza la quimioluminiscencia luminosa como la química de lectura. La muestra de sangre entera se agrega al dispositivo, se filtra plasma y se bombea sobre el anticuerpo de captura que se ha inmovilizado dentro del dispositivo durante la fabricación. La sensibilidad se mejora lavando el analito capturado al continuar bombeando el ensayo o el tampón de lavado más allá de la zona de captura. En el momento adecuado, las válvulas actúan para conectar una cámara previamente cerrada que contiene el reactivo detector. El flujo se reanuda y lleva el reactivo detector al analito capturado, y el reactivo detector sin reaccionar se elimina minimizando el ruido de fondo y mejorando la sensibilidad.

La única forma en que esta secuencia de reacciones puede tener lugar es con un control cuidadoso de los flujos de los diversos reactivos. Si todos los reactivos se mezclaran sin secuenciación, el resultado sería una enorme cantidad de luz generada independientemente de la cantidad de troponina en la muestra sin diferenciación entre pacientes con ataques cardíacos y pacientes sanos con indigestión.

Existen múltiples tipos de válvulas que se pueden emplear en dispositivos de microfluidos. El tipo exacto de válvula más adecuado para una aplicación particular debe analizarse con profesionales experimentados.

Propiedades ópticas
Si la lectura se basa en la luz, el dispositivo debe cumplir con sus propiedades ópticas. Esto significa que el material debe cumplir con la transparencia de longitud de onda para los métodos necesarios. La fluorescencia y la quimioluminiscencia son dos químicas de detectores comunes que se utilizan en dispositivos de microfluidos.

Para que la fluorescencia o quimioluminiscencia funcione correctamente, las trayectorias de luz deben ser controladas. Si las propiedades ópticas difieren de un dispositivo a otro, será casi imposible saber si una señal alterada se debe a variaciones en la concentración del analito o simplemente debido a la pérdida de luz.

Almacenamiento de residuos de fluidos
Por último, existe el requisito de almacenamiento a bordo de los residuos para todos los reactivos en proceso. Dado que las muestras humanas siempre conllevan el riesgo de contaminación con patógenos, se requiere un secuestro y contención de estos residuos para su eliminación adecuada. La mejor manera de hacerlo es mantener todos los fluidos que encontraron la muestra potencialmente infecciosa completamente contenidos dentro del dispositivo, que luego es desechado por el usuario. Para una protección adicional, una esponja absorbible o una cámara sellada pueden ser la mejor manera de garantizar que no se escape nada.

Conclusión

A estas alturas, debería estar claro que crear un dispositivo de microfluidos es un esfuerzo de equipo. Se necesita información desde el punto de vista del reactivo, los expertos en diseño de dispositivos, el fabricante de fabricación de dispositivos, los ingenieros de la estación base y el equipo de software para hacer un dispositivo fabricable.

Si tu organización ya cuenta con un equipo de este tipo, aún pueden beneficiarse de las conversaciones con nosotros. Los debates entre grupos de profesionales experimentados con frecuencia generan buenas ideas y mejores resultados. Si tu organización no tiene un equipo de este tipo, somos un gran lugar para comenzar.